1. Introducción

Se definen los residuos como aquellos materiales generados en las actividades de producción, transformación y consumo que no han alcanzado, en el contexto en que son generados, ningún valor económico, tanto por no existir las tecnologías adecuadas para su recuperación, como por no ser posible la comercialización de los productos recuperados. Actualmente, la estrategia de la Unión Europea es lograr la minimización de los residuos producidos y obtener el mejor aprovechamiento de los que aún se generan, reduciendo su impacto ambiental. En otras palabras, impulsar la economía circular. 

Entre la gran variedad de residuos existentes cabe destacar, por su volumen e importantes connotaciones medioambientales, los residuos biodegradables. Dentro de ellos, cabe destacar a la fracción orgánica de residuos urbanos, explotaciones ganaderas, vertidos agroindustriales y lodos de depuradoras (EDAR).  El tratamiento de estos residuos por digestión anaerobia o biometanización, tiene no sólo importantes beneficios ambientales, pues se contribuye a la disminución de su carga contaminante, sino también energéticos, ya que se produce un combustible renovable gaseoso como el biogás, y sociales, al poder crear empleo en zonas demográficamente deprimidas

La degradación anaerobia o biometanización es un proceso biológico mediante el cual la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y por medio de bacterias específicas (anaerobias), se degrada en una serie de productos gaseosos, conocidos como biogás, y un digerido que puede ser utilizado como enmienda orgánica. La biometanización puede ocurrir de manera forzada en digestores anaerobios diseñados al efecto, o de manera natural en vertederos controlados de RSU. 

El biogás tiene un importante valor energético al contener metano como componente mayoritario (50-75%), de interés por tanto en la generación local de calor y electricidad; no obstante existe un interés creciente en el biogás enriquecido en metano (biometano), como sustituto del gas natural, tanto para su integración en la red gasística como para su uso en automoción. 

Por lo tanto, la digestión anaerobia se configura como un proceso idóneo para el tratamiento y aprovechamiento energético de los residuos orgánicos en forma de biogás/biometano y para una reducción neta de emisiones de gases de efecto invernadero. Se podría decir que la digestión anaerobia de los residuos biodegradables es un paradigma de economía circular, ya que se utiliza un residuo para producir energía, reduciéndose al mismo tiempo su contaminación potencial.

2. El Biogás 

Biogás es el nombre genérico de los gases producidos como consecuencia de la digestión anaerobia o biometanización de los residuos orgánicos, con independencia de la materia prima y la técnica empleada. La degradación de la materia orgánica se realiza a través de una serie compleja de reacciones bioquímicas, que son llevadas a cabo por distintas familias de microorganismos, y en la que se establecen diferentes etapas (Figura 1). 

Figura 1: Proceso degradativo de la Digestión Anaerobia. 
Fuente; Adaptada de Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991.

Como resultado del proceso se produce una mezcla constituida principalmente por metano (CH4), entre un 50% y 75% y dióxido de carbono (CO2), entre un 25% y 50%. Dependiendo de la naturaleza del sustrato, suelen estar presentes, en bajas cantidades, vapor de agua (H2O), ácido sulfhídrico (H2S), oxígeno (O2), nitrógeno (N2), hidrógeno (H2), amoniaco (NH3), compuestos orgánicos volátiles (COV) o siloxanos. 

2.1 El Biogás en Europa

El crecimiento constante del número de plantas de biogás europeas durante la última década indica la robustez del sector. Según la Asociación Europea de Biogás (EBA), a finales de 2017, había 17.783 plantas de biogás en Europa y la capacidad eléctrica instalada alcanzó un total de 10.532 MW y la electricidad producida a partir de biogás ascendió a un total de 65.179 GWh (EBA, 2018). La distribución de las plantas por países y millón de habitantes, se se muestra en la Figura 2.

Figura 2: (izda.) Número total de plantas de biogás en países de la UE; (dcha) número de plantas por millón de habitantes (2017) Fuente: Adaptadas de EBA, 2018.

El sector ha seguido creciendo y a finales de 2019, había ya un total de 18.943 plantas con una producción de 167 TWh o 15.800 millones de m3 de biogás (EBA, 2020).

2.2 Aplicaciones del Biogás

La composición del biogás afecta a su aprovechamiento, ya que la concentración en metano determina su poder calorífico (Pci) y una elevada concentración de alguno de sus componentes traza puede determinar su aplicación. Por ello, el biogás puede requerir tratamiento en función de su composición y su uso potencial. Sus aplicaciones más empleadas son la generación de calor y electricidad. En el caso de su uso en motores, ningún compuesto minoritario (H2S, CO, NH3, H2O, COV, etc,), puede superar los límites permitidos por los equipos, en cuyo caso habría que aplicar un tratamiento de «limpieza de biogás». En la práctica, es el H2S el principal objetivo y muchas plantas de biogás actuales tienen unidades de eliminación de H2S basadas en procesos físico-químicos y biológicos; estos últimos basados en la oxidación biológica de H2S (Angelidaki, 2018).

Sin embargo, el creciente interés de utilizar el biogás para otras alternativas como sustituto del gas natural (automoción e integración en la red gasística), ha abierto nuevas vías en el desarrollo de técnicas de “mejora del biogás”. Como se ha comentado, el contenido energético del biogás está determinado por su poder calorífico o, lo que es lo mismo, por su porcentaje de metano, ya que el contenido de CO2 disminuye su valor energético limitando su uso.

El concepto básico de “mejora” del biogás, más conocido por su expresión en inglés, “upgrading”, consiste en reducir el porcentaje de los gases diferentes al CH4 (~65%), principalmente separando el CO2 (~35%) así como los restantes gases minoritarios ya citados. En el biogás “enriquecido” la proporción de metano aumenta generalmente por encima del 96% (vol.), para cumplir con los estándares de calidad del gas natural. Cuando el biogás es sometido a upgrading, se transforma en un gas con especificaciones similares al gas natural, se convierte en biometano, también llamado “gas verde” o “gas natural renovable-RNG”. Europa produjo 26 TWh o 2,43 millones de m3 de biometano en 2019 (EBA, 2020).

3. Tecnologías de upgrading

3.1. Tecnologías físicas y químicas

Actualmente, existen cinco tecnologías físico-químicas para la separación / transformación del CO2 del biogás a nivel comercial, que involucran procesos de absorción, adsorción y separación por membranas. El porcentaje de plantas de tratamiento que utilizan cada una de ellas, se muestra en la Figura 3. Otras tecnologías, aún en desarrollo, están basadas en procesos criogénicos o de hidrogenación química. En general, la recuperación de metano de los procesos fisicoquímicos puede alcanzar un porcentaje de metano superior al 96%. Se requiere un aumento de temperatura, alta presión o la adición de productos químicos para asegurar una biometanización eficiente.

Figura 3: Distribución de plantas por técnicas de upgrading. Fuente GIE/EBA 2020.

Debido a las condiciones de trabajo requeridas para el funcionamiento de estas tecnologías, los costos de inversión y operación, debido a la demanda de energía, siguen siendo altos (Sun et al., 2015). La demanda de energía se deriva principalmente del consumo de electricidad y del uso de agua o productos químicos y dispositivos de calefacción/refrigeración (Sun et al., 2015). Además, el uso de disolventes orgánicos, la gran cantidad de CO2 liberado a la atmósfera y las pérdidas de CH4 reducen los beneficios ambientales de la producción de biogás (Angelidaki, 2018). Estas circunstancias han motivado el interés en desarrollar el upgrading biológico del biogás como alternativa a las tecnologías actualmente disponibles. 

3.2 Tecnologías Biológicas

Las tecnologías biológicas de upgrading se encuentran en una etapa inicial de implementación piloto o a gran escala. La principal ventaja de estas tecnologías está relacionada con el hecho de que el CO2 se convierte en otros productos, de alto valor agregado o que contienen energía, en condiciones operacionales suaves (es decir, presión atmosférica y temperatura moderadas) contribuyendo significativamente a una economía circular y de base biológica sostenible. Estas técnicas se clasifican generalmente en fotoautotróficas y quimioautótrofas.

3.2.1. Métodos fotoautotróficos

La capacidad fotosintética de las microalgas se puede utilizar para mejorar el porcentaje de metano del biogás, convirtiendo el CO2  del biogás (secuestro de carbono) en biomasa. El método permite también eliminar H2S, mientras que se consume más del 54% de CO2. La recuperación de metano de las tecnologías fotoautótrofas puede llegar hasta el 97%, según el tipo de reactor y las especies de algas seleccionadas, pudiendo llegar a satisfacer las regulaciones existentes de lograr un máximo de 2 a 6% de CO2 en el gas final (Meier et al., 2015). Este proceso puede llevarse a cabo en fotobiorreactores tanto cerrados como abiertos; en los primeros, tiene lugar un alto rendimiento fotosintético si bien con altos costos de inversión, demanda de energía y nutrientes. Por el contrario, los fotobiorreactores abiertos necesitan escasa inversión para su construcción y operación, pero tienen una menor absorción fotosintética de CO2. 

Además, un beneficio secundario de la biomasa de microalgas es la extracción de productos de alto valor añadido, en particular, carotenoides, ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga y ficocoloides (Guedes et al., 2011), así como biomasas alternativos (algas de agua dulce y salada y cianobacterias) para la producción de biogás (Mussgnug et al., 2010). 

3.2.2. Métodos quimiotróficos

En los métodos quimiotróficos de transformación del biogás a biometano, el CO2 reacciona con H2 externo y se convierte en CH4 adicional, mediante la metanogénesis hidrogenotrófica. Este proceso se basa, por tanto, en la acción de las denominadas bacterias metanógenas hidrogenotróficas (Figura 1), según la siguiente ecuación.

4 H2 + CO2 → CH4 + H2O ΔG = −130.7KJ / mol         (1)

Por otra parte, el upgrading quimiotrófico se ha considerado muy positivamente en el caso de utilizar electricidad renovable en la hidrólisis del agua para obtener H2, especialmente en los casos en los que se emplea la electricidad residual de aerogeneradores o paneles solares. En este sentido, la metanización quimiotrófica se puede utilizar como una tecnología Power-to-Gas, ya que este método también sirve para almacenar la energía sobrante generada por aerogeneradores o módulos fotovoltaicos. El almacenamiento del exceso de energía eólica y solar es un desafío clave, dado que la seguridad de la planificación es necesaria para la estabilidad de la red eléctrica, para lo cual, las baterías presentan aún serios inconvenientes (Angelidaki et al., 2018). La electrólisis del agua que utiliza electricidad renovable produce O2, además de  H2. De esta forma, la generación de H2, es una fuente de energía limpia y libre de emisiones de CO2, que se puede almacenar fácilmente en la infraestructura de gas natural existente, reduciendo así el coste de inversión inicial. Por otra parte, el contenido energético del CH4 (36 MJ/m3) es notablemente superior al del H2 (10,88 MJ/m3) (Luo et al., 2012). Finalmente, esta tecnología sirve como condición previa de sostenibilidad, dentro del ambicioso plan de desvincular la producción de biogás de la disponibilidad de biomasa. 

Los procesos en los que se produce la mejora del biogás mediante la aportación de hidrógeno se pueden clasificar en tres categorías (Figura 4): diseños in situ, ex situ e híbridos (Kougias et al., 2017b). 

Figura 4. Tecnologías de upgrading biológico de biogás in situ, ex situ e híbridas basadas en la metanización de hidrógeno. Fuente: Adaptado de Angelidaki, 2018.

Hasta ahora, los procesos in-situ y ex-situ están probados experimentalmente y hay varios trabajos de investigación disponibles en la literatura. Sin embargo, el concepto híbrido se encuentra actualmente en desarrollo y pronto estarán disponibles los primeros resultados relacionados con esa tecnología (Angelidaki et al, 2018).

En el concepto in-situ, el H2 se inyecta en un reactor de biogás para que reaccione con el CO2, y convertirse en CH4 por la acción de arqueas metanogénicas autóctonas (Kougias et al., 2017b). El proceso puede llegar a producir un biometano con un 99% de metano (Wang et al., 2013), si bien solo en los casos en que los parámetros operativos (por ejemplo, el pH) estén completamente monitorizados y controlados. No obstante, aún quedan desafíos técnicos por resolver, entre otros, los relacionados con el incremento del nivel de pH a valores superiores a 8.5, lo que lleva a la inhibición de la metanogénesis, lo que se atribuye a la eliminación de bicarbonato, que es el tampón clave en el proceso de biogás. La utilización de CO2 conducirá a una disminución de H+, con el consiguiente aumento del pH de fermentación (Luo et al., 2012), según se indica en la siguiente ecuación:

    H2O + CO2 ↔ H+ + HCO3–                               (2)

Se han hecho estudios de codigestión con residuos ácidos para detener el aumento del pH Concretamente, se demostró que la codigestión de estiércol con aguas residuales de suero de queso mantuvo el pH en un rango óptimo durante todo el proceso de upgrading (Luo and Angelidaki, 2013a).

Un parámetro clave es la solubilización del H2 en la fase líquida, ya que debe cruzar la interfaz entre el gas y la fase líquida para estar disponible para los microorganismos. La solubilidad acuosa de la mayoría de los gases es bastante baja, lo que limita la transferencia de masa gas-líquido y dificulta el rendimiento del biorreactor (Tirunehe y Norddahl, 2016). Por ello, el material y tipo de módulo que se utiliza para inyectar H2, la aplicación de flujos de recirculación de gas y los diseños de reactores se consideran elementos fundamentales para obtener un adecuado upgrading del biogás in situ (Bassani et al., 2016). 

Las técnicas de upgrading de biogás in situ, mediante la mejora de la metanogénesis hidrogenotrófica, incluida la inyección de hidrógeno, los métodos bioeléctricos y la suplementación de aditivos, se están desarrollando rápidamente. No obstante, aún es necesario superar previamente ciertas limitaciones a su aplicación en plantas industriales (Zhang et al, 2020). Una tecnología emergente, la digestión anaerobia de alta presión (HPAD), ofrece altos rendimientos en  CH4 (un promedio del 87%) y está cerca de la aplicación a gran escala, en particular su combinación con la tecnología de adición de H2, ya que la primera mejora el obstáculo del bajo nivel de solubilización del H2 al que se enfrenta la segunda. Los sistemas bioelectroquímicos (BES), de reciente aparición, muestran aún una baja eficiencia en producción de CH4 y limitaciones en su aplicación a gran escala. Sin embargo, su combinación con la tecnología de adición de H2 para formar el concepto Power-to-Gas es prometedora y su aplicación comercial podría estar disponible  (http://www.electrochaea.com/). En cuanto a las bacterias metanógenas hidrogenotróficas, son actores imprescindibles en todas las tecnologías de upgrading biológico de biogás (Zhao, 2021).

El concepto de mejora del biogás ex situ se basa en la provisión de CO2 y H2 de fuentes externas en un reactor anaeróbico que contiene un cultivo hidrogenotrófico (puro o enriquecido), para dar como resultado su conversión posterior en CH4 (Kougias et al., 2017b). Este método tiene varias ventajas en comparación con el proceso in situ:

a) asegura la estabilidad del proceso de biogás convencional porque la mejora se produce en una unidad separada,

b) el proceso bioquímico es más simple, ya que no hay degradación del sustrato orgánico (es decir, los pasos iniciales de la digestión anaeróbica, como la hidrólisis y la acidogénesis, no se realizan),

c) es un proceso independiente de la biomasa,

d) se puede utilizar otra fuente externa de CO2 residual (p. ej., gas de síntesis) haciendo que el proceso sea más flexible, y

e) mediante este proceso es factible suministrar energía a zonas rurales alejadas de la red centralizada (Angelidaki et al, 2018). 

Varias publicaciones proponen diferentes conceptos novedosos para mejorar la eficiencia de la biometanización relacionados con la temperatura del proceso (Luo y Angelidaki, 2012), el tipo de reactor (Kougias et al., 2017b), la aplicación de recirculación de gas o mezcla de líquidos (Kougias et al., 2017b), cultivos hidrogenotróficos (Burkhardt et al., 2015), velocidad de agitación (Luo y Angelidaki, 2012) y dispositivos de difusión (Bassani et al., 2017). La Figura 5 muestra un diagrama de flujo de un upgrading biológico de biogás ex situ.

Figura 5: Diagrama de upgrading biológico de biogás ex situ. Fuente: Adaptado de Bassani, 2017.

En general, para el avance de las tecnologías biológicas de metanización de energía a gas a gran escala, se requiere un enfoque dedicado a la transferencia de masa gas-líquido del H2, que, como se ha comentado, generalmente limita la conversión de H2 en CH4. Por ello, el diseño y la operación de procesos y reactores han sido objeto de mucha dedicación en la investigación en los últimos años; sin embargo, el desarrollo de la tecnología aún requiere una amplia investigación de diversas configuraciones de sistemas y condiciones operacionales. 

Por otra parte, como se ha descrito anteriormente, el proceso de digestión anaerobia implica una serie de reacciones complejas realizadas por diferentes comunidades microbianas (Figura 1), cuya composición y funcionalidad han sido objeto de investigación a lo largo del último siglo. Los primeros estudios utilizaron métodos y análisis basados ​​en el cultivo in vitro para identificar los cuatro gremios citados (o grupos funcionales) de microorganismos. Desafortunadamente, solo una pequeña fracción del microbioma del biogás es susceptible de cultivo. Sin embargo, esta situación se ha superado en la última década mediante la aplicación de las tecnologías ómicas, a la microbiota productora de biogás, incluyendo la metataxonómica, la metagenómica, la metatranscriptómica, la metaproteómica y la metabolómica (Lim et al., 2020), revelando la alta diversidad de microorganismos involucrados en la digestión anaerobia. El enriquecimiento en especies metanogénicas para los sistemas de producción de biogás asistidos por hidrógeno puede ayudar a optimizar la productividad microbiana, así como el desempeño de los procesos de DA mediante una estrategia de bioaumentación con cultivos puros (Zhang et al, 2020).

Se puede decir por tanto que el upgrading biológico del biogás es un proceso prometedor para ampliar la utilización del biometano y reducir así la dependencia de los combustibles fósiles, maximizando los beneficios medioambientales y económicos de las tecnologías de biogás.

4. El Biometano en Europa

La producción de biometano sigue creciendo de forma significativa. En 2019 aumentó en un 15 por ciento en relación con el año anterior, el mayor aumento en las plantas de biometano hasta la fecha. Desde las 187 plantas instaladas en 2011 se llegó a 540 plantas en 2017. La distribución europea por países es notablemente irregular, tal como se muestra en la Figura 6: 

Figura 6: Número de plantas de biometano en países europeos (izquierda) y número por millón de habitantes (derecha). Fuente: EBA, 2018.

Su producción ha seguido creciendo y ya en 2020, había 729 plantas de biometano instaladas en Europa; de ellas, la tercera parte (232), solo en Alemania. Francia le sigue en importancia, con un gran crecimiento (131 plantas). Reino Unido, Suecia, Países Bajos y Dinamarca, presentan asimismo un elevado número de plantas (80, 70, 53 y 46, respectivamente) y altos ratios por millón de habitantes. España, sin embargo, cuenta tan sólo con 2 plantas y el ratio más bajo por habitante de la UE (GIE/EBA, 2020). 

Cabe destacar la posición de Alemania y el importante crecimiento que ha tenido Francia, a través principalmente de plantas agrícolas, superando a países precursores como Reino Unido y Suecia. Francia lidera el desarrollo del mercado del biometano con más de 1000 proyectos de inyección de biometano en diferentes etapas de desarrollo en el país. Europa ha experimentado un rápido aumento interanual de la capacidad de producción de biometano y, hasta ahora, este crecimiento no muestra signos de desaceleración. La Figura 7 muestra la distribución de plantas en función del tipo de materia prima.

Figura 7: Distribución de plantas por tipo de materia prima. Fuente GIE/EBA 2020

Como se ha comentado, el biometano puede inyectarse en la red de gas natural, comprimirse y transportarse, o utilizarse como alternativa al gas natural como combustible para vehículos. Además, se puede convertir nuevamente en electricidad transformando la red de gas natural en un vasto sistema de almacenamiento de energía. La Figura 8  muestra la distribución de las plantas de biometano existentes en Europa en función del tipo de conexión a red.

Figura 8: Distribución de las plantas europeas de biometano por tipo de conexión a red

Fuente GIE/EBA 2020.

Finalmente, cabe destacar que el upgrading del biogás presenta dos ventajas clave, el desacoplamiento territorial y temporal de la generación y uso de energía, y la posibilidad de almacenamiento y transporte a gran escala. La combinación de estas características convierte al biometano en un portador de energía con un potencial excepcional, que podría convertirse en un elemento clave en el futuro sistema energético de base renovable.

Referencias

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